Vad är en elektronspinnresonans?
Elektronsnurrresonans (ESR) är en form av spektroskopi som används på paramagnetiska material - material som blir magnetiska när de utsätts för ett yttre magnetfält. ESR benämns också elektronisk paramagnetisk resonans, eller EPR. Elektronsnurrresonans har en mängd olika tillämpningar inom kemi och biologi och har till och med användningar inom områden som kvantberäkning.
En elektron har en laddning och snurrar. Det inducerar därför ett magnetiskt ögonblick. Om den placeras i ett yttre magnetfält kommer elektronens magnetiska ögonblick att anpassa sig till magnetfältets riktning. Det är också möjligt för elektronen att anpassa sig i motsatt riktning av magnetfältet, men detta kräver mer energi och är inte elektronens naturliga tillstånd. Detta är den vetenskapliga grunden för elektronspinnresonans.
Med ESR placeras ett ämne med molekyler som har extra, eller oparade, elektroner i ett magnetfält och energi, vanligtvis i form av mikrovågor, appliceras på det. De oparade elektronerna kommer att absorbera den elektromagnetiska energin och flytta till ett högre energitillstånd genom att justera sina magnetiska moment till motsats till det externt applicerade magnetfältet. Frekvensen för energi som absorberas av elektronerna indikerar den kemiska strukturen i molekylen till vilken de är bundna. På detta sätt kan elektronspinnresonans användas för att bestämma den kemiska sammansättningen av olika material.
Det är kritiskt att ämnet har oparade elektroner. Detta beror på att parade elektroner, enligt Pauli-uteslutningsprincipen, kommer att ha snurr i motsatta riktningar och därför inget magnetiskt nätmoment. Dessa material kallas diamagnetiska och är inte lämpliga för ESR.
Liksom med andra resonansspektroskopitekniker måste elektronerna som används i elektronspinnresonans tillåtas slappna av och återgå till sina lägre energitillstånd. Om inte, kommer alla elektroner att upphetsas och ingen ytterligare absorption är möjlig. I detta fall kommer det inte att finnas något att mäta och följaktligen kommer ingen signal att alstras. Spin-gitteravslappning, där en elektron ger energi till omgivningen, och spin-spin-avslappning, där en elektron ger energi till en annan elektron, är de två metoderna där avslappning kan uppstå.
ESR är särskilt väl lämpad för detektion av fria radikaler, som är en uppsättning av mycket reaktiva molekyler med oparade elektroner. Fria radikaler är kända för att vara orsaken till flera sjukdomar, förgiftningar och till och med cancer. De orsakar också förfallet av tandemaljen i en känd hastighet, vilket innebär att elektronspinnresonans kan användas för att datera tänder och i förlängningen människor. Överskott av fria radikaler finns också i öl och vin som är förbi deras hållbarhetstid.
ESR är också en ledande kandidat inom flera avancerade tekniker. Dessa inkluderar artificiell fotosyntes och kvantberäkning. I det senare, genom att finjustera ESR för att arbeta på en enda elektron istället för en grupp av elektroner, kan en logisk grind skapas som motsvarar energitillståndet i elektronens magnetiska ögonblick.